Ultra-low temperature scanning-tunneling microscopy studies on bottom-up strongly correlated electron systems

本研究では、走査型トンネル顕微鏡（STM）探針を用いて単一原子・分子を操作できることと、電子分光手法として数10 μeVにも及ぶ高いエネルギー分解能を有することを利用して、電子相関が顕著となる物質表面に非自明な電子状態を人工的に作り出すとともに、そこに創発する物性を探索する。基板として利用する候補物質の一つとして、1T-TaS2を予定しているが、バルク試料表面に形成されるドメイン構造や積層パターンの多様性に起因して電子状態が非常に複雑であることが明らかになってきたので、単純化するために、分子線エピタキシー法(MBE)による1T-TaS2の単層化を構想している。MBEで硫黄を取り扱うことは難しいため、当面1T-TaS2と似た物性を示す1T-TaSe2の成長を目指している。本年度は、MBEの試験として、作製条件が比較的確立している2H-NbSe2単層膜のMBE成長を試み、作製した単層膜を可搬超高真空チャンバーによってSTMに移送して100 mK以下の超低温での原子像観察、分光イメージングが可能なことを実証した。電子状態評価の手法として、通常のタングステン探針を用いたトンネル分光測定の技術は、ほぼ確立している。これに加え、スピンに関する情報も取得するため、超伝導体の磁性不純物が形成する100％スピン偏極したYu-Shiba-Rusinov状態を利用した高感度スピン検出を試みている。スピン検出の実証は終了しているが、超伝導探針を再現性よく作製することが難しかった。探針材料として超伝導転移温度の高いNbを利用しているが、探針先端が超伝導を示さないことが多く、探針先端の清浄化法確立が必要である。本年度はNb探針とNb単結晶基板を利用し、探針と基板の制御された衝突と電界放出を組み合わせることで、再現性よく超伝導探針を準備する方法を確立した。

本研究では、走査型トンネル顕微鏡（STM）探針を用いて単一原子・分子を操作できることと、電子分光手法として数10 μeVにも及ぶ高いエネルギー分解能を有することを利用して、電子相関が顕著となる物質表面に非自明な電子状態を人工的に作り出すとともに、そこに創発する物性を探索する。基板として利用する候補物質の一つとして、1T-TaS2を予定しているが、バルク試料表面に形成されるドメイン構造や積層パターンの多様性に起因して電子状態が非常に複雑であることが明らかになってきたので、単純化するために、分子線エピタキシー法(MBE)による1T-TaS2の単層化を構想している。MBEで硫黄を取り扱うことは難しいため、当面1T-TaS2と似た物性を示す1T-TaSe2の成長を目指している。本年度は、MBEの試験として、作製条件が比較的確立している2H-NbSe2単層膜のMBE成長を試み、作製した単層膜を可搬超高真空チャンバーによってSTMに移送して100 mK以下の超低温での原子像観察、分光イメージングが可能なことを実証した。電子状態評価の手法として、通常のタングステン探針を用いたトンネル分光測定の技術は、ほぼ確立している。これに加え、スピンに関する情報も取得するため、超伝導体の磁性不純物が形成する100％スピン偏極したYu-Shiba-Rusinov状態を利用した高感度スピン検出を試みている。スピン検出の実証は終了しているが、超伝導探針を再現性よく作製することが難しかった。探針材料として超伝導転移温度の高いNbを利用しているが、探針先端が超伝導を示さないことが多く、探針先端の清浄化法確立が必要である。本年度はNb探針とNb単結晶基板を利用し、探針と基板の制御された衝突と電界放出を組み合わせることで、再現性よく超伝導探針を準備する方法を確立した。